Surveillance du réseau de distribution de gaz par mesure de pression continue

Surveillance du réseau de distribution de gaz par mesure de pression continue

by | Thursday, 6 August, 2020 | Oil & Gas

Les enregistreurs de processus autonomes de l’entreprise AIRVALVE fonctionnent avec des capteurs de pression STS pour assurer la surveillance de points critiques dans le réseau de distribution de gaz détenu par SWK Netze GmbH. Le principe appliqué ici permet d’allier une fiabilité de planification à un coût relativement bas de la mise en œuvre.

SWK Netze GmbH effectue des mesures poussées sur son réseau de distribution de gaz pour l’étalonnage de son programme de pipelines. À cette fin, des mesures de pression continues doivent être effectuées sur quinze points critiques dans le cadre de son projet « Surveillance du réseau de distribution de gaz de ville ». En plus de la nécessité d’obtenir des valeurs mesurées de la plus grande précision possible , il était également primordial lors de la réalisation de ce projet que les instruments de mesure fonctionnent de façon fiable sur une durée de vie importante, et qu’ils aientégalement une force de signal suffisante pour transmettre les mesures régulièrement, même lorsque installés sous terre. Pour réduire au maximum le travail d’installation de conduites et le travail en sous-sol, les pressions devaient être mesurées au niveau de dispositifs de ventilation existants. Pour cela, l’équipement de mesure devait être installé sous des plaque métalliques de taille 3.

Pour réaliser cette tâche, le choix s’est porté sur les enregistreurs de mesure de type LS-42 produi par . Au cours de tests poussés, il est d’abord apparu que les produits de cette gamme d’enregistreurs étaient les seuls à disposer d’une antenne intégrée haute performance, capable de fournir une transmission de signal sans interférence même dans les galeries.

Stabilité à long terme et facilité d’utilisation sont des facteurs clés

L’instrument de mesure, grâce à sa batterie interchangeable haute performance, fonctionne sans branchement électrique et sans raccordement téléphonique pendant plus de 10 ans. Cet enregistreur de processus qui se monte très facilement, en plus d’être configurable à distance, assure une transmission sécurisée des mesures relevées grâce à des cartes SIM sélectionnables librement ou à un multi-réseau avec tunnel VPN privé (voir Fig. 1 qui illustre la conception de l’enregistreur de processus). Il est par conséquent parfaitement adapté aux sites à distance ou difficilement accessibles, qui doivent pouvoir être surveillés sur une longue durée sans nécessiter de maintenance ardue.

Figure 1: Schéma de l’enregistreur de données
Source: AIRVALVE
Source de l’image: Bosch Mobility Solutions

 

Ces exigences en termes de durabilité et de performance de fonctionnement ont bien sûr été également placées sur les capteurs utilisés pour la mesure de pression. AIRVALVE a opté dans ce cas-ci pour les transmetteurs de pression ATM.ECO/N de STS.  Ces capteurs de 100 mbar sont alimentés par la batterie interchangeable de l’enregistreur de processus, sont protégés par une enveloppe résistante en acier inoxydable et fournissent des résultats précis d’une précision ≤ ± 0,70 % sur une plage de température de -5 à 50 °C. En termes de stabilité à long terme, l’ ATM.ECO/N affiche une valeur < 0,5 %.

Assemblage du système de mesure sur le réseau de distribution de gaz

Le système de mesure complet pour la surveillance du réseau de distribution de gaz est installé dans des coffrets enterrés sous une plaque de rue (voir Fig. 2). Grâce à l’utilisation de dispositifs de ventilation existants, le travail nécessaire pouvait être effectué à faible coût. Pour mettre en place les mesures de pression, la borne de ventilation montante a été remplacée par un réducteur (1). À l’aide d’une vanne à bille, la connexion de mesure peut être coupée (2). La calibration du capteur de pression est facilitée par un couplage Minimess (3). Le capteur de pression (4) est connecté par le biais d’un boîtier de jonction à égalisation de pression (5) à l’enregistreur de processus AIRVALVE (6). Celui-ci est alors fixé à un ancrage au sol (7) au moyen d’un cliquet.

Figure 2: Vue d’ensemble du système de mesure
Source: AIRVALVE

Les mesures sont réalisées toutes les 5 minutes. Cet intervalle de mesure est sélectionnable entre une et 60 minutes. Les valeurs mesurées sont transmises plusieurs fois au cours de la journée au centre de contrôle. La transmission des valeurs relevées peut se faire par le biais de cartes multi-réseau sécurisées par VPN ou de cartes SIM à simple contrat. Les communications sont possibles à l’aide de centres de contrôle Internet ou encore de systèmes SCADA. Dans cet exemple d’application, SWK Netze GmbH a opté pour le centre de contrôle Internet « Web-LS » pour gérer les données obtenues par le biais de serveurs hautement sécurisés.

 

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Mesure de la pression dans des milieux abrasifs avec la membrane Vulkollan®

Mesure de la pression dans des milieux abrasifs avec la membrane Vulkollan®

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industry

Habituellement, les capteurs de pression sont disponibles en version inox ou titane. Ceux-ci permettent de couvrir toutes les applications de bancs d’essais et tous les travaux de surveillance. Cependant, lors d’une utilisation en milieu particulièrement abrasif, le capteur nécessite une protection supplémentaire: l’ajout d’une membrane Vulkollan® .

Avant de donner deux exemples d’applications, voici une courte présentation de la matière Vulkollan : Vulkollan® est la dénomination commerciale du caoutchouc d’uréthane de polyester, qui est une matière synthétique, ayant des propriétés élastiques, ainsi qu’une bonne résistance chimique et mécanique. La matière élastomère est employée sous différentes formes, telles que de la mousse, de la matière plastique souple cellulaire, ainsi que de la matière plastique massive. Tandis que les deux premières formes sont essentiellement employées pour la fabrication des oléoducs, la forme en matières plastiques massives est transformée en roues, rouleaux et revêtements. La plage de température de service se trouve alors entre -20 et +80 degrés Celsius.

Matière de contact : le béton

Une entreprise leader dans le domaine de travaux spéciaux de génie civil a contacté STS, à la recherche d’un capteur de pression pouvant être employé dans un milieu fluide et abrasif. Dans ce cas, il s’agissait concrètement de béton. Ils fabriquent des équipements hydrauliques, pour le forage et le remplissage de béton, afin d’obtenir des piliers.

Pour que ces piliers présentent une structure stable, un flux de béton en continue est inséré dans le forage grâce à une pompe. Le processus doit être interrompu lorsque le béton rentre en contact avec le tuyau de distribution.

Cela entraine une augmentation de la pression dans ce dernier détectée par le capteur STS.

Un capteur de pression en inox n’était pas envisageable, il aurait été endommagé par le béton.

Afin de pouvoir maîtriser ce défi, STS a proposé d’équiper un capteur à bride avec une membrane Vulkollan®. Avec cette protection, le capteur utilisé atteint une durée de vie d’un an, avec 5 pour cent d’erreur totale. La construction mécanique et les connexions électriques étaient de fabrication spéciale, néanmoins, un délai court de livraison a été assuré.

Mesure du niveau de remplissage dans des ballasts de cargos

Un fabricant de systèmes de contrôle pour bateaux s’adressa à STS, à la recherche d’une solution fiable pour la mesure du niveau d’eau dans des ballasts de cargos.

Les ballasts sont employés pour influencer la position du centre de masse d’un navire. Les cargos sont, par exemple, construits de manière à ce que la ligne de flottaison à pleine charge coïncide à la ligne de flottaison réelle. Cependant, lorsqu’ils naviguent sans charge, la coque remonte tellement que la proue se dresse en grande partie hors de l’eau. En raison du poids des machines, la coque se trouve basse, mais pas assez pour que les hélices soient  suffisamment immergées dans l’eau – dans ce cas, le bateau est alors non manœuvrable. Afin de résoudre ce problème, les ballasts sont remplis d’eau.

Les capteurs pour la surveillance du niveau de remplissage entrent non seulement en contact avec de l’eau salée (pour cela, des boîtiers en titane suffiraient), mais également avec du sable, des petits cailloux ou des coquillages. Afin d’optimiser, dans ce cas, la durée de vie du capteur, sa membrane a été recouverte d’un film Vulkollan®.

Figure 1 : Exemple d’un transmetteur de pression avec film Vulkollan®

À l’aide de Vulkollan®, les capteurs de pression ont pu être optimisés pour l’emploi dans des milieux abrasifs. Cependant, ceci n’est pas valable pour des matières explosives ou des acides. De plus, les utilisateurs doivent prendre en considération que la protection Vulkollan® dégrade la précision du capteur. Le comportement thermique devient également plus instable.

Pour cela, au cours de la recherche d’une solution de mesure de pression adaptée aux milieux abrasifs, il est indispensable de se faire conseiller par des experts.

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Pics de pression dans les systèmes hydrauliques: un risque pour les capteurs et autres équipements

Pics de pression dans les systèmes hydrauliques: un risque pour les capteurs et autres équipements

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industry

Les pics de pression se produisent dans presque tous les pipelines de gaz et de liquides. Les pressions qui surviennent en quelques millisecondes peuvent dépasser la pression de surcharge des transducteurs de pression utilisés et les détruire.

Les pics de pression – à savoir des pressions très élevées apparaissant pendant un bref intervalle de temps – ne se remarquent habituellement que lorsque le mal est déjà fait. Ils sont le résultat d’augmentations de pression et également d’autres phénomènes physiques (cavitation, effet microdiesel) qui se produisent partout où des liquides ou des gaz sont transportés par des tuyaux. Cependant, les pics de pression sont moins importants parmi les gaz en raison de leur haute compressibilité et ne représentent donc que rarement un danger. Dans le contexte des conduites d’eau, le terme « coup de bélier » est souvent utilisé. Ce terme désigne un changement de pression dynamique du liquide. Par exemple, quand une vanne se ferme rapidement, le flux d’eau s’arrête instantanément. Cela provoque une onde de pression qui traverse le liquide dans la direction contraire du flux à la vitesse du son et qui est ensuite renvoyée. Il se produit une violente augmentation de pression en quelques millisecondes, ce qui peut endommager les capteurs de pression et autres équipements (dégâts aux raccords et colliers de serrage ainsi qu’aux pompes et à leur socle, etc.). Toutefois, comme ce sont les dispositifs de mesure qui sont affectés en premier lieu, c’est sur eux que nous allons nous concentrer dans les lignes suivantes. Ces dégâts peuvent apparaître sous forme de petite « rupture » ou de déformation (voir Figures 1 et 2).

Figure 1: «Rupture» due à une montée de pression

Figure 2: Déformations dues à des pics de pression

Si la pression agissant sur le transducteur de pression dépasse la pression de surcharge, celui-ci subira des dégâts irréversibles. Il y a deux scénarios possibles dans ce cas: Aussi paradoxal que cela puisse paraître, la destruction complète de l’instrument de mesure en raison du pic de pression est la moindre des conséquences. En effet, les utilisateurs remarquent immédiatement le dommage dans ce cas. Si le capteur est simplement déformé en raison d’un pic de pression, il continuera à fonctionner, mais ne fournira que des mesures inexactes. Les conséquences financières sont disproportionnellement supérieures à celles d’un capteur totalement détruit.

Comment prévenir les dégâts causés par les pics de pression

La méthode miracle pour éviter des dommages provoqués par des pics de pression réside dans l’intégration d’amortisseurs d’impulsions ou d’anti coup de bélier. D’autres moyens, comme l’utilisation de vannes, ne conduiraient pas à des résultats satisfaisants parce qu’ils sont trop lents à réagir aux pics de pression, qui en réalité ne durent que quelques millisecondes.

Le but d’un anti coup de bélier est d’amortir les pics de pression de sorte qu’ils ne dépassent plus la pression de surcharge des transducteurs de pression et ne les endommagent pas. À cette fin, il est placé dans le conduit de pression devant la cellule du capteur. En conséquence, les pics de pression n’atteindront plus directement la membrane sans être observés, puisqu’ils doivent d’abord passer par l’anti coup de bélier proprement dit :

Figure 3: Conduit de pression avec étrangleur de pression

En raison de leur très bonne protection contre les pics de pression, l’utilisation d’anti coup de bélier reste la meilleure option. Mais cette variante présente ses inconvénients. Elle peut entraîner un blocage du conduit de pression en raison de la calcification et de dépôts, en particulier dans les fluides avec des particules solides et en suspension. Cela ralentit le signal de mesure. Si ce système est utilisé dans des applications importantes, une maintenance supplémentaire doit être effectuée.

Une protection supplémentaire contre les pics de pression peut être obtenue à l’aide d’une résistance à la surpression plus élevée, contrairement à la version standard. Le choix dépend donc de l’application particulière : si des relevés de haute précision sont requis, ceux-ci ne peuvent plus être réalisés dans certaines circonstances de très haute résistance à la surpression par rapport à la plage de mesure.

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Les conséquences du phénomène d’auto-allumage dans les systèmes hydrauliques

Les conséquences du phénomène d’auto-allumage dans les systèmes hydrauliques

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industry

Comme son nom l’indique, le terme auto-allumage fait référence à un processus de combustion spontanée. Ce phénomène, caractéristique des moteurs Diesel, peut également être observé dans les systèmes hydrauliques. Les conséquences de l’auto-allumage incluent des pics de pression, un vieillissement prématuré de l’huile, des résidus de combustion et la destruction des joints d’étanchéité.

L’auto-allumage est le résultat des effets de la cavitation. Commençons par examiner les conditions de formation de la cavitation dans les systèmes hydrauliques.

La cavitation dans les systèmes hydrauliques

En fonction des gaz, des fluides, des températures et des pressions des systèmes hydrauliques, les huiles hydrauliques peuvent contenir de l’air dissous. La cavitation correspond à la naissance de bulles d’air dans l’huile hydraulique. Cela se produit lorsque l’huile est soumise à une certaine pression ou à des mouvements de cisaillement. En pratique, la cavitation se produit dans les conduites d’aspiration, les conduites de pompe, les rétrécissements de section, et dans les systèmes hydrauliques où des pulsations apparaissent. Lorsque la masse d’huile en mouvement subit un cisaillement, des vides se forment dans lesquels de fines bulles d’air sont libérées.

Le phénomène d’auto-allumage

Lorsque les bulles d’air résultant de la cavitation (qui contiennent également des particules d’huile) sont soumises à une pression élevée, une augmentation de température importante se produit dans les bulles. Cette élévation de température entraîne un phénomène d’auto-allumage (c.-à-d. une combustion dans le système hydraulique) qui se déroule en quelques millisecondes.

Les conséquences de la cavitation et de l’auto-allumage

La cavitation peut avoir diverses conséquences négatives : dégâts matériels des boitiers de pompe et des soupapes de surpression, aspiration des éléments d’étanchéité tels que les joints toriques, modification des caractéristiques de débit, réduction du fonctionnement des pompes et des engrenages en raison de pertes de remplissage, bruits, pics de pression supérieurs à la pression du système, etc. Le phénomène d’auto-allumage peut entrainer un vieillissement prématuré de l’huile, des résidus de combustion et la destruction des joints.

Les conséquences de la cavitation et de l’auto-allumage ne sont pas toujours immédiatement visibles. Elles sont souvent identifiées lorsqu’il est déjà trop tard et qu’il est nécessaire de réparer le système hydraulique. Les pics de pression dus à la cavitation et à l’auto-allumage peuvent également endommager les capteurs de pression installés dans le système. Une augmentation soudaine de la pression du système peut endommager et déloger la membrane du capteur de pression.

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La précision des mesures de pression est un élément crucial du développement d’une pompe à huile électrique

La précision des mesures de pression est un élément crucial du développement d’une pompe à huile électrique

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industry

Sous l’impulsion de la hausse des objectifs mondiaux en matière d’émissions polluantes, les constructeurs se tournent de plus en plus vers les technologies d’électrification pour réduire la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre. L’une des solutions les plus populaires est le véhicule électrique hybride, souvent alimenté par un moteur à combustion dont la taille est fortement réduite.

Le problème de ces moteurs à taille réduite est que les systèmes auxiliaires gourmands en énergie nuisent gravement à la maniabilité et aux performances des véhicules. Heureusement, ces pertes parasites peuvent être considérablement réduites en remplaçant les composants mécaniques traditionnels par des unités à entraînement électrique. De ce fait, les pompes à moteur électrique remplacent progressivement les unités mécaniques dans les productions de série, en particulier les pompes à huile et les pompes à eau.

Image 1: Exemple de pompe à huile électrique
Source de l’image: Rheinmetall Automotive

Bien que les avantages de l’électrification soient évidents, en particulier pour les pompes à huile, il s’agit d’un processus techniquement complexe : les ingénieurs souhaitent non seulement faire circuler l’huile à un débit et à une pression spécifiques, mais ils souhaitent également les adapter intelligemment aux besoins du moteur.

Pour optimiser les performances, il est important que les pertes par frottement et par pompage soient minimisées grâce à un contrôle minutieux du débit d’huile dans les différents circuits, tout en garantissant une pression adéquate à tout moment.

Les simulations sont assujetties à la précision des mesures de pression et de débit d’huile effectuées sur banc d’essai

Une pompe à huile à alimentation électrique est composée de trois sous-systèmes : la pompe, le moteur et le contrôleur électronique. Par conséquent, le principal défi de tout nouveau développement d’applications est d’intégrer efficacement ces modules pour réduire leur taille, leur poids et le nombre de composants, tout en optimisant les performances.

La fonction principale d’une pompe à huile est de fournir un débit d’huile spécifique à une pression optimale. La conception d’une pompe à huile, qui est un processus itératif, commence par les «engrenages de pompage». Dans la plupart des applications, la pompe doit fournir des pressions supérieures à 1 ou 2 bars, allant souvent jusqu’à 10 bars.

Comme dans la plupart des développements de moteur, des simulations et des tests en conditions réelles sont utilisés pour accélérer la conception.

Le processus de conception commence par l’évaluation préliminaire de l’efficacité volumétrique, sur la base des résultats expérimentaux recueillis sur des pompes et des applications similaires. Ceux-ci incluent la vitesse de la pompe, la température de l’huile, la pression et le débit.

Il est important que les informations utilisées pour l’évaluation soient particulièrement précises. Par conséquent, la collecte des données doit être effectuée à l’aide d’un équipement de mesure extrêmement fiable et précis, capable de fournir des lectures exactes dans les conditions extrêmes rencontrées à l’intérieur et autour des moteurs.

Pour garantir la précision et la reproductibilité des mesures de pression, il est essentiel d’utiliser des capteurs de la meilleure qualité. Ces capteurs de pression doivent non seulement fournir des , mais ils doivent également résister aux vibrations.

Depuis de nombreuses années, STS développe des capteurs de pression qui répondent aux exigences spécifiques des constructeurs et des spécialistes de premier plan de conception et de développement de nouveaux moteurs.

Développer une pompe à huile électrique plus performante qu’une unité mécanique

L’avant-projet des engrenages de pompage est finalisé en fonction des informations recueillies sur les exigences hydrauliques à différents débits, les pressions de refoulement et les températures de l’huile. Grâce au logiciel Simulink de Matlab, les informations relatives au comportement du système physique peuvent être rationalisées sous forme de code unidimensionnel.

À ce stade, il est important de noter que pour générer le débit requis à une pression spécifiée, il convient de choisir une vitesse de rotation qui permet une disposition optimale du moteur et de la pompe sans créer de problèmes de cavitation ou de bruit. Ainsi, la plage de vitesse typique pour un fonctionnement en continu se situe généralement entre 1 500 et 3 500 tours par minute.

À l’étape suivante, plusieurs conceptions peuvent être générées à l’aide du logiciel Simcenter Amesim qui permet d’optimiser les paramètres de conception. Par exemple, le nombre de dents et l’excentricité, tout en satisfaisant aux conditions limites de pression, de débit et de température.

Après avoir mis en œuvre les caractéristiques géométriques des éléments hydrauliques et après avoir finalisé la conception intermédiaire, le couple total nécessaire pour entraîner la pompe aux points de fonctionnement critiques peut être calculé comme suit :

Mtot = MH + MCL + Mμ

  • MH est le couple hydraulique obtenu par une pression et un débit adaptés.
  • MCL est la contribution coulombienne générée lors de contacts secs ou lubrifiés entre les pièces coulissantes.
  • Mμ est la contribution visqueuse obtenue par le mouvement du fluide entre les pièces.

Une fois la conception terminée, des prototypes d’ingénierie sont construits pour une évaluation en situation réelle sur un banc d’essai de moteur.

Une fois encore, la pression d’huile, le débit et la température sont mesurés à différents régimes moteur et à différents régimes de pompe, afin de valider les résultats obtenus par simulation. Si les résultats sont conformes aux spécifications, le programme de développement est finalisé et le projet entre dans la phase d’industrialisation.

Pour des performances et une durabilité optimales, il est évident que toutes les mesures doivent être enregistrées avec précision. Cependant, les informations générées par le capteur de pression ont une importance et une incidence supérieure aux autres mesures: une pression insuffisante peut conduire à une défaillance catastrophique, tandis qu’une pression excessive gaspille de l’énergie et peut entraîner des problèmes avec les joints d’étanchéité.

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